Biomarker proxies as quantitative indicators of climate variability in the Montcortés lake

Abstract

L'objectiu general d'aquest treball va ser validar i dur a terme l'aplicació de proxies climàtiques de biomarcadors en el context d'una conca mediterrània lacustre. Amb aquesta finalitat, el treball va consistir en l'observació detallada de la producció de biomarcadors, transport i processos de deposició i comparar-ho amb registres instrumentals estacionals i interanuals, per establir com els patrons espacials i temporals de la variabilitat dels senyals de biomarcadors integren senyals palaeoambientals en el registre sedimentari. Els proxies estudiats es deriven de n-alquil lípids i els GDGTs. El lloc seleccionat, l'estany de Montcortés al pre-Pirineu català, ha demostrat ser en estudis previs un lloc sensible als canvis climàtics impulsats per influències atlàntiques i mediterrànies, i els seus sediments contenen seqüències úniques d'alta resolució dipositats al segle XX. Per tal d'identificar les possibles fonts de biomarcadors terrígens en els sediments de Montcortés, i estudiar la seva variabilitat espacial i tempora, hem recopilat espècimens de plantes i mostres de sòl durant més d'un any. Els nostres resultats suggereixen que els aports lacustres de lípids contenen diferents contribucions de plantes (plantes llenyoses, herbes, i aquàtiques), i que poden distingir-se per les seves distribucions i diversos índexs. El nostre estudi no proporciona evidència d'efectes estacionals en l'abundància i les proxies de n-alcans i GDGTs en els sòls. Mentre que en el material particulat a la columna d'aigua, es van observar senyals estacionals significatives de la concentració i fluxos de biomarcadors a causa de la seva producció i transport, així com la circulació del llac en diferents estacions de l'any. Per exemple, l'abundància del n-alcà C29en el sediments es va correlacionar amb la precipitació (especialment tempestes) o el vent. Els valors δ13C de n-alcans específics es van mantenir constants durant tot l'any en els sòls i sediments, i conserven fidelment els senyals inicials de δ13C de les plantes C3 d'on provenen. La variabilitat de TEX86 derivat dels GDGTs, i les estimacions de temperatura eren generalment petites en escalas mensuals i estacionals, dins el mateix tipus de sòl, però hi har una heterogeneïtat significativa entre els sòls en quant a l'abundància i distribució de GDGTs, que es podria atribuir a diferències en el pH i la humitat del sòl. Els valors de TEX86 de la columna d'aigua i sediments van mostrar canvis estacionals significatius que eren similars a les temperatures a la part superior de la columna d'aigua de l'estany. No obstant, en el testimoni de sediment, les temperatures estimades deTEX86 estaven esbiaixades cap a valors fred a causa de les contribucions d'arqueus metanogènics, o cap a senyals més càlides a causa dels aports de sòls. Les temperatures estimades de GDGT-MBT/CBT van mostrar una gran heterogeneïtat en els diferents sòls, i junta amb altres evidències ens porten a la conclusió que aquesta proxy de temperatura no és aplicable al llac en escales de temps de dècades. S'ha assajat un nou índex de GDGTs per estimar les temperatures mitjanes anuals, que registra significativament l'aparició de la petita edat de gel des de finals del segle XV en l'àrea d'estudi. Els resultats d'aquesta tesi probablement es poden extrapolar a d'altres conques lacustres similars amb precaució. No obstant, aquest estudi és també un exemple de la necessitat d'avaluar, per cada conca, la fidelitat dels proxies de biomarcadors per reconstruir el clima quantitativament mitjançant els seus sediments lacustres.

The main objective of this dissertation was to validate and undertake the application of biomarker climatic proxies in the context of a Mediterranean lake basin. To this end, the work consisted in the detailed observation of modern biomarker production, transport, deposition processes and compare them with instrumental records on a seasonal and interannual basins, to establish how the spatial and temporal patterns of variability of the biomarker signals integrated palaeoenvironmental signals in the sedimentary record. The proxies studied are derived from n-alkyl and GDGT lipids. The site selected, Lake Montcortés in the Catalan Pre-Pyrenees, has been proven to be in previous studies a site sensitive to climate changes driven by Atlantic and Mediterranean influences and its sediments contain unique high resolution sequences deposited in the XXth century. In order to identify the likely sources of terrigenous biomarkers in lake Montcortés sediments, and to study their spatial and temporal (monthly/seasonal) variability, we collected a number of plant specimens and soil samples across the catchment for over a year. Our results suggest that inputs of alkyl lipids differ among particular plant groups (woody plants, grasses, emergent and submerged macrophytes), and can be distinguished from their distributions and various indices. Our study does not provide evidence for seasonal effects on the abundance and proxies of n-alkanes and GDGTs in soils. While in the suspended and settling particulate matter in the water column, significant seasonal signals were observed from the concentration and flux of lipid biomarkers due to its production, transport as well as lake circulation in different seasons, e.g. C29 n-alkane abundance in the sediment trap was correlated to precipitation/soil runoff (especially the storm) or wind. The compound specific δ13C values of long chain n-alkanes remained constant throughout the year in soils and sediments to faithfully preserve the initial δ13C signals of dominant C3 higher plants. The variability of GDGT-derived TEX86, temperature estimates were generally small on a short-time scale (monthly or seasonally) within the same soil type, but there was significant heterogeneity among soils in the abundance and distribution of GDGTs, which might be attributed to differences in pH and soil humidity. TEX86 values from the water column and sediment trap showed significant seasonal changes which were similar to the temperatures in the upper water column of Lake Montcortés. However, in the sediment core, TEX86-estimated temperatures were potentially biased towards cooler temperatures due to contributions from methanogenic Archaea, or towards warmer signals due to allochthonous inputs from catchment soils. GDGT-MBT/CBT estimated temperatures showed a large heterogeneity in the different catchment soils, and together with other evidence leads us to conclude that MBT/CBT as a temperature proxy is not applicable in the lake on decadal time scales. Based on instrumental records and fractional abundance of some GDGTs, a new index was used to estimate the mean annual temperatures, which significantly recorded the onset of the Little Ice Age since the end of 15th century in the study area. The results of this thesis in lake Montcortés can probably be extrapolated to similar lacustrine settings with caution. Thus, this thesis is also an example of the need to appraise at a catchment level the fidelity of biomarker proxies to reconstruct climate quantitatively in lacustrine sediments.